Theo nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Cell Stem Cell, các nhà khoa học đã phát triển thành công một bộ não thu nhỏ từ tế bào gốc. Đây là lần đầu tiên một bộ não như vậy thể hiện được chức năng thần kinh. Cụ thể, chúng phát ra những sóng não giống sóng não của những đứa trẻ sinh non.
Nhà sinh vật học Alysson Muotri, tác giả nghiên cứu đến từ Đại học California, San Diego, cho biết: "Mức độ hoạt động thần kinh mà chúng tôi quan sát thấy là điều chưa từng có [đối với một bộ não] trong ống nghiệm".
"Chúng tôi đã có một bước tiến gần hơn đến một mô hình [não bộ], có thể thực sự tạo ra các giai đoạn sơ khởi của một mạng lưới thần kinh tinh vi".
Những "bộ não" mà các nhà khoa học phát triển có kích thước chỉ bằng hạt đậu. Trên thực tế, chúng được gọi với cái tên chuyên ngành là organoid – tiểu não bộ.
Các tiểu não bộ được phát triển từ tế bào gốc đa năng của con người, nghĩa là các tế bào có thể phát triển thành bất cứ loại tế bào nào trong cơ thể.
Nhưng bằng cách đưa tế bào gốc đa năng vào môi trường mô phỏng sự phát triển của não bộ, các nhà khoa học đã dẫn dắt chúng phát triển thành tế bào não.
Các khối tế bào này tự tổ chức thành cấu trúc 3 chiều giống như sự phát triển tự nhiên của não bộ con người.
Điều này đã từng được nhiều nhóm nghiên cứu thực hiện thành công trước đây. Nhưng cho đến trước nghiên cứu này, chưa một mô hình tiểu não bộ nào phát triển được các mạng lưới thần kinh có chức năng.
Mạng thần kinh chỉ xuất hiện khi các tế bào thần kinh trưởng thành và bắt đầu kết nối với nhau. Hầu hết mọi hoạt động của não bộ đều cần đến mạng thần kinh, nếu không có nó, bộ não chỉ được ví như một chiếc máy tính không cài hệ điều hành.
Nếu không có mạng thần kinh, bộ não chỉ được ví như một chiếc máy tính không cài hệ điều hành.
Để thực hiện được bước đột phá của mình, nhóm nghiên cứu do Muotri dẫn đầu đã thiết kế một quy trình nuôi cấy tốt hơn để phát triển tế bào gốc. Họ phải tối ưu hóa các công thức môi trường nuôi cấy.
Những điều chỉnh này cho phép tế bào gốc phát triển thành tế bào não trưởng thành hơn so với các mô hình trước đó. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc nuôi hàng trăm tiểu não bộ trong 10 tháng. Họ sử dụng các mảng đa điện cực để phát hiện và theo dõi hoạt động thần kinh của chúng.
Ngay từ tháng thứ hai, nhóm của Muotri đã bắt được các đợt sóng não phát ra, mặc dù đó chỉ là các tín hiệu rất thưa thớt có cùng tần số, mô hình tương tự với bộ não thai nhi mới hình thành.
Nhưng khi các tiểu não bộ tiếp tục phát triển, chúng đã tạo ra các đợt sóng não ở nhiều tần số khác nhau. Các tín hiệu cũng xuất hiện thường xuyên hơn. Điều này cho thấy bộ não bé nhỏ đã phát triển mạng lưới thần kinh của riêng nó.
"Đây là kết quả của việc có nhiều khớp thần kinh chức năng hơn và nhiều kết nối giữa các tế bào thần kinh hơn đang được hình thành", Muotri nói. Sự tương tác giữa các tế bào thần kinh là lí do tại sao các tín hiệu thu được có tần số khác nhau.
Các mảng đa điện cực phát hiện và theo dõi hoạt động thần kinh của tiểu não bộ.
Để so sánh các mô hình sóng não của tiểu não bộ với các bộ não thực của con người, nhóm nghiên cứu đã đào tạo một thuật toán học máy, với sóng não được ghi nhận từ 39 trẻ sinh non từ sáu đến chín tháng rưỡi.
Thuật toán có thể dự đoán bao nhiêu tuần các tiểu não bộ đã phát triển trong môi trường nuôi cấy. Điều này mang tính xác nhận, cho thấy các tiểu não bộ này và não người thật có chung một quỹ đạo tăng trưởng.
Câu hỏi đặt ra lúc này liệu các bộ não thu nhỏ mà Muotri tạo ra đã có ý thức hay không?
"Tiểu não bộ vẫn còn là một mô hình rất thô sơ, chúng không có nhiều bộ phận và cấu trúc não khác. Vì vậy, những sóng não này có thể không liên quan gì đến các hoạt động trong bộ não thực sự", Muotri trả lời.
"Có thể trong tương lai, chúng tôi sẽ có được thứ gì đó thực sự gần với các tín hiệu trong bộ não con người, những tín hiệu điều khiển hành vi, suy nghĩ hoặc trí nhớ. Nhưng tôi không nghĩ rằng chúng tôi đã có bất kỳ bằng chứng nào ngay bây giờ để nói về chúng".
Liệu các bộ não thu nhỏ mà Muotri tạo ra đã có ý thức hay không?
Mặc dù vậy, các tiểu não bộ trong ống nghiệm của Muotri vẫn được coi là một bước tiến đột phá. Ông cho biết các bộ não này có thể được sử dụng để nghiên cứu các bệnh liên quan đến sự cố mạng lưới thần kinh, chẳng hạn như tự kỷ, động kinh và tâm thần phân liệt.
"Bạn có thể sử dụng các tiểu não bộ này cho một số ứng dụng, bao gồm tìm hiểu sự phát triển thần kinh bình thường của con người, phát triển các mô hình bệnh tật, mô hình tiến hóa não, sàng lọc thuốc và thậm chí tạo ra trí tuệ nhân tạo", Muotri nói.
"Là một nhà khoa học, tôi muốn tiến gần hơn và gần hơn nữa tới bộ não con người. Tôi muốn làm điều đó bởi vì tôi thấy được những ứng dụng tốt của nó. Tôi có thể giúp những người mắc bệnh thần kinh bằng những phương pháp điều trị tốt hơn, mang đến cho họ chất lượng cuộc sống tốt hơn".
Tham khảo Phys